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中國電工技術(shù)學(xué)會活動專區(qū)

CES Conference

在智慧選煤廠建設(shè)加速推進(jìn)的背景下，建設(shè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)字化配電管理系統(tǒng)勢在必行。國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司、鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的研究人員劉建、白雪梅、于大偉，在2021年第12期《電氣技術(shù)》上撰文，選用支持Modbus/TCP協(xié)議的智能電氣設(shè)備，搭建從智能電氣設(shè)備到配電管理系統(tǒng)的一體化工業(yè)以太網(wǎng)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。低壓配電管理系統(tǒng)不僅具有“遙測、遙控、遙信、遙調(diào)”功能，還具有停送電審批、能耗統(tǒng)計、設(shè)備維護(hù)、報警與事件、操作記錄等管理功能。

選煤廠生產(chǎn)設(shè)備以皮帶機(jī)、刮板機(jī)、破碎機(jī)、泵類等重負(fù)荷設(shè)備為主，設(shè)備需頻繁帶載起停；生產(chǎn)與輸送環(huán)節(jié)較多，各低壓配電系統(tǒng)隨車間分散布置；加工與運送高硬度物料，大量設(shè)備因磨損須每日停電檢修。

配電系統(tǒng)中斷路器、接觸器、電動機(jī)綜合保護(hù)器等通過硬接線與可編程控制器（programmable logic controller, PLC）模塊連接，僅將電動機(jī)起停、故障、運行及電源通斷信號采集至PLC系統(tǒng)中。

原有低壓配電系統(tǒng)存在的問題主要有：①大量電氣參數(shù)未采集至上位機(jī)系統(tǒng)，無法集中監(jiān)測各配電系統(tǒng)運行狀況，主要依靠人員定期巡檢，無法及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患；②日常停送電需要電工去往各個配電室就地手動操作完成，時間成本高，工作效率極低，且存在人工誤操作風(fēng)險；③塑殼斷路器保護(hù)功能配置不豐富，無法靈活調(diào)整定值，設(shè)備重載起車或嚴(yán)重卡堵時易發(fā)生誤動作、越級跳閘等故障；④PLC模塊和配電柜之間通過控制電纜連接，二次接線繁雜，故障率較高。

本文以選煤廠末煤低壓配電系統(tǒng)改造項目為背景，論述采用智能電氣設(shè)備和工業(yè)以太網(wǎng)搭建數(shù)字化低壓配電管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，數(shù)字化低壓配電管理系統(tǒng)可以有效解決原有系統(tǒng)存在的問題，并為實現(xiàn)與智慧工廠管理平臺的無縫集成奠定基礎(chǔ)。

1 項目背景

末煤低壓配電系統(tǒng)由一臺10kV/0.69kV干式變壓器負(fù)責(zé)供電，變壓器容量800kV·A，采用IT供電方式，中性點經(jīng)高電阻接地。系統(tǒng)母線電壓為690V，單母線段獨立運行，由一面進(jìn)線柜、一面電容補(bǔ)償柜和三面饋線柜組成，主要負(fù)荷有4臺皮帶機(jī)和2臺刮板機(jī)，單臺設(shè)備最大功率不超過132kW，采用直接起動方式。配電柜采用MNS2.0柜型，進(jìn)線柜安裝CW1框架斷路器，饋線抽屜內(nèi)安裝CM1塑殼斷路器、電動機(jī)綜合保護(hù)器、接觸器等電氣設(shè)備，低壓配電系統(tǒng)與工藝控制共用一套PLC和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 低壓配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為兼顧原有低壓配電系統(tǒng)和生產(chǎn)集控系統(tǒng)，在此次系統(tǒng)改造升級中，繼續(xù)沿用原有上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)數(shù)字化配電管理系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)由西門子S7—300升級至S7—1500，饋線柜全部更換為支持工業(yè)以太網(wǎng)的MNS3.0數(shù)字開關(guān)柜，進(jìn)線柜、補(bǔ)償柜、變壓器繼續(xù)保留，柜內(nèi)電氣設(shè)備全部更換為智能設(shè)備。

智能電氣設(shè)備選擇采用微處理器技術(shù)開發(fā)的具有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)接口的設(shè)備，以斷路器、電動機(jī)綜合保護(hù)器等智能設(shè)備為通信節(jié)點構(gòu)建工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。通過以太網(wǎng)把現(xiàn)場電氣設(shè)備采集的大量數(shù)據(jù)實時傳送至PLC控制系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)中，搭建“智能電氣設(shè)備-數(shù)字開關(guān)柜-配電管理系統(tǒng)”從下至上的三位一體工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)和通用工業(yè)協(xié)議的結(jié)合，為滿足高實時性的工業(yè)應(yīng)用需求，著名自動化公司和標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛提出了各種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，受到廣泛支持的有Modbus/TCP、ProfiNet、Ethernet/IP等。該項目選用支持Modbus/TCP協(xié)議的智能電氣設(shè)備，對于支持Modbus/RTU協(xié)議的設(shè)備，可經(jīng)過通信模塊轉(zhuǎn)換為Modbus/TCP協(xié)議后接入工業(yè)以太網(wǎng)中。

數(shù)字開關(guān)柜選用集成以太網(wǎng)口的柜型，柜內(nèi)電氣設(shè)備通過柜體與柜外交換機(jī)實現(xiàn)以太網(wǎng)直連，PLC與配電管理系統(tǒng)之間采用原有以太網(wǎng)通信，各節(jié)點交換機(jī)和智能電氣設(shè)備均選用具有以太網(wǎng)冗余功能的設(shè)備，基于工業(yè)以太網(wǎng)搭建的低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)主要設(shè)備選型及其功能配置

3.1 配電柜

配電柜選用ABB公司MNS3.0數(shù)字開關(guān)柜，與原有配電柜相比，柜體最顯著的特點是每個饋線抽屜集成了以太網(wǎng)接口，具有強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能。接口由插頭和插座兩部分組成，其中插頭安裝在抽屜內(nèi)右側(cè)板上，負(fù)責(zé)與抽屜內(nèi)電氣設(shè)備連接，插座安裝在電纜室，負(fù)責(zé)與外部交換機(jī)連接。當(dāng)插頭與插座接通后，配電柜內(nèi)部和外部設(shè)備直接實現(xiàn)以太網(wǎng)連接，當(dāng)抽屜需要拉出時，斷開插頭與插座的連接即可。

抽屜抽出時，網(wǎng)口接插件分開，此時為了防止抽屜抽出后導(dǎo)致整個系統(tǒng)以太網(wǎng)通信中斷，在抽屜外部電纜室內(nèi)安裝ABB公司MS571以太網(wǎng)環(huán)路開關(guān)，通過該環(huán)路開關(guān)把柜內(nèi)各抽屜組成冗余環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MS571環(huán)路開關(guān)有四個以太網(wǎng)口，標(biāo)有MCU的兩個接口用于連接抽屜，標(biāo)有BUS的兩個接口用于組網(wǎng)。

正常情況下，抽屜內(nèi)電氣設(shè)備通過BUS接口同其他設(shè)備通信；當(dāng)抽屜拉出后，原有環(huán)網(wǎng)通信被中斷，MS571自動旁路該抽屜，直接經(jīng)過兩個BUS接口組成新的環(huán)網(wǎng)繼續(xù)維持通信。MS571的電源由其BUS接口提供，首尾兩臺MS571必須通過配件TA60與外部設(shè)備連接。饋線抽屜間環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 饋線抽屜間環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2 配電柜與變壓器測溫

配電柜內(nèi)母排搭接處、抽屜一次插頭處、接觸器觸頭等部位易產(chǎn)生高溫，對系統(tǒng)安全運行極為不利，所以要選擇合適的測溫方式實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測。

以非接觸方式在抽屜內(nèi)一次插頭和接觸器觸頭上方安裝IR51紅外測溫傳感器，通過檢測測點發(fā)射出的紅外能量實現(xiàn)安全可靠測溫，IR51通過專用電纜直接接入MT561熱點監(jiān)控模塊。

在配電柜母排搭接處、干式變壓器高壓電纜連接處與低壓母排連接處安裝WT01無線測溫傳感器，用不銹鋼卡簧將WT01安裝在母排搭接處，采用電磁感應(yīng)自供電方式，采集溫度通過ZigBee無線連接方式傳送至MT564無線測溫模塊。ZigBee是一種近距離、低功耗、短時延、雙向無線通信技術(shù)，傳輸速率最高可達(dá)250kbit/s。

MT561模塊和MT564模塊均安裝在饋線抽屜內(nèi)部，可以通過串行通信接口IO-BUS與電動機(jī)綜合保護(hù)器MC510進(jìn)行通信，由MC510負(fù)責(zé)供電，測溫傳感器采集的數(shù)據(jù)通過MC510實時傳送至配電管理系統(tǒng)中。

對原有干式變壓器溫控器進(jìn)行更換，實現(xiàn)對變壓器配置的6臺散熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行單獨狀態(tài)監(jiān)測與控制，對變壓器繞組溫度和鐵心溫度進(jìn)行實時在線監(jiān)測，可以靈活設(shè)定變壓器溫度控制策略。

升級后的溫控器配置了RS 485通信接口，支持Modbus-RTU協(xié)議，通過以太網(wǎng)通信模塊MS572接入工業(yè)以太網(wǎng)中，實現(xiàn)與配電管理系統(tǒng)之間的通信。MS572包含一個嵌入式二端口以太網(wǎng)交換機(jī)，可以實現(xiàn)從基于RS485接口的Modbus-RTU協(xié)議到基于RJ45接口的Modbus/TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，MS572是Modbus-RTU主站，溫控器作為總線結(jié)構(gòu)的從設(shè)備與主站連接。

當(dāng)配電柜和變壓器的測點處溫度值和溫升速率超過設(shè)定值時，系統(tǒng)可以進(jìn)行報警或自動斷開相應(yīng)電源，以保障系統(tǒng)安全運行。

3.3 塑殼斷路器

塑殼斷路器選用常熟開關(guān)廠CM5Z型產(chǎn)品，配置iPN26T智能型脫扣器。斷路器集成RS 485通信接口，采用Modbus-RTU協(xié)議，通過以太網(wǎng)模塊MS572接入工業(yè)以太網(wǎng)中。

塑殼斷路器安裝配套FDC1電動操作機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)在配電管理系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘操作。塑殼斷路器遠(yuǎn)程分合閘示意圖如圖3所示。

圖3 塑殼斷路器遠(yuǎn)程分合閘示意圖

3.4 框架斷路器

框架斷路器選用常熟開關(guān)廠CW6型產(chǎn)品，配置TY66型智能控制器，控制器通過加裝附件模塊可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，在斷路器本體頂部快裝盒內(nèi)安裝FBT/W6—T以太網(wǎng)通信模塊，可以實現(xiàn)框架斷路器對Modbus/TCP協(xié)議的支持。

3.5 電動機(jī)綜合保護(hù)器

接觸器選用常熟開關(guān)廠CK3系列產(chǎn)品，配套電動機(jī)綜合保護(hù)器選用ABB公司MC510型產(chǎn)品，該保護(hù)器提供兩個互為冗余的以太網(wǎng)接口，支持Modbus/ TCP協(xié)議。

3.6 主要電氣設(shè)備功能配置

配電回路中框架斷路器、塑殼斷路器、電動機(jī)綜合保護(hù)器的功能配置見表1。

表1 配電回路中主要設(shè)備功能配置

上述功能配置有效解決了原系統(tǒng)中存在的幾個突出問題。

在系統(tǒng)維護(hù)方面，智能電氣設(shè)備與PLC之間直接采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，代替了原系統(tǒng)所有控制電纜，解決了因電纜二次接線繁雜導(dǎo)致故障率較高的問題。

在上下級開關(guān)保護(hù)匹配方面，由于智能塑殼斷路器保護(hù)定值可以靈活設(shè)定，與上級框架斷路器保護(hù)定值合理匹配后，可以實現(xiàn)上下級開關(guān)之間良好的選擇性極差保護(hù)。

在原系統(tǒng)中，當(dāng)刮板機(jī)發(fā)生卡堵或重載起車時，設(shè)備短時電流通?？蛇_(dá)5～6倍額定電流并持續(xù)15s以上，有時會達(dá)到觸發(fā)進(jìn)線框架斷路器短延時保護(hù)動作條件，而原系統(tǒng)所用CM1塑殼斷路器過載保護(hù)按照額定電流固定反時限特性整定，在上述情況下會存在一定觸發(fā)滯后現(xiàn)象，從而導(dǎo)致越級跳閘現(xiàn)象發(fā)生；選用CM5Z智能斷路器后，由于可以采用定時限方式對定值進(jìn)行靈活設(shè)定，保護(hù)動作值和動作延時具有明顯極差，有效杜絕了越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。

3.7 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由原有西門子S7—300升級至S7—1500，配置支持Modbus/TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通信模塊CP1543，PLC通過該模塊與配電管理系統(tǒng)、現(xiàn)場智能電氣設(shè)備之間進(jìn)行通信。

4 系統(tǒng)主要通信實現(xiàn)方式

4.1 Modbus/TCP通信實現(xiàn)

系統(tǒng)內(nèi)各智能設(shè)備之間主要采用Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行通信，標(biāo)準(zhǔn)Modbus采用主站（Master）/從站（Slave）方式通信，主站向各從站發(fā)送請求幀，從站予以響應(yīng)。在使用TCP通信時，主站為Client端并主動建立連接，從站為Server端等待連接。

現(xiàn)以PLC和電動機(jī)控制器MC510之間通信為例，打開PLC編程軟件TIA Portal并新建一個項目，在項目中添加CPU1511—1PN及CP1543—1模塊，其中CP1543—1和MC510模塊的IP地址需在同一網(wǎng)段下。

在CPU1511—1PN模塊的OB1組織塊中添加Modbus TCP Client功能塊“MB_CLIENT”，用于Modbus/TCP客戶端通過TCP連接與服務(wù)器之間建立通信。功能塊連接參數(shù)CONNECT采用TCON_ IP_v4結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，添加一個全局?jǐn)?shù)據(jù)塊“MB_ connect”，在該數(shù)據(jù)塊中設(shè)置MC510的IP地址及其

連接參數(shù)，之后與功能塊連接參數(shù)CONNECT進(jìn)行匹配，完成PLC與MC510之間通信的建立。

利用Modbus通信規(guī)約功能碼03H（讀取單個或多個寄存器數(shù)據(jù)）、16H（預(yù)置多個寄存器）可實現(xiàn)對MC510寄存器中數(shù)據(jù)的讀取和設(shè)置，MC510具有工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)、故障信息、整定保護(hù)定值、遠(yuǎn)程控制參數(shù)等不同寄存器區(qū)。

PLC從MC510的1200H～121AH寄存器中讀取電動機(jī)工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)并存儲到“MC510_data”數(shù)據(jù)塊中，PLC程序可以從該數(shù)據(jù)塊中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)邏輯運算。當(dāng)需要給MC510發(fā)出執(zhí)行指令時，先把程序邏輯運算結(jié)果存儲至“MC510_write”數(shù)據(jù)塊，調(diào)用“MB_CLIENT”功能塊把“MC510_write”數(shù)據(jù)塊的值寫入MC510遠(yuǎn)程控制參數(shù)寄存器中，進(jìn)而完成對MC510的遠(yuǎn)程控制。PLC與MC510之間Modbus/TCP通信程序塊如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)通信故障時的應(yīng)急處置

系統(tǒng)循環(huán)檢測每個MC510電動機(jī)保護(hù)器的通信狀態(tài)，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)通信中斷超過預(yù)設(shè)時間后，MC510將自動啟用其“MODBUS/TCP失效”模式。進(jìn)入該模式后，MC510無需經(jīng)過PLC可以直接根據(jù)其預(yù)先設(shè)定停止設(shè)備運行，確保了網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時生產(chǎn)系統(tǒng)能夠安全停車。

圖4 PLC與MC510之間Modbus/TCP通信程序塊

4.3 配電管理系統(tǒng)與PLC通信

配電管理系統(tǒng)由原有組態(tài)軟件Intouch開發(fā)而來，現(xiàn)場電氣設(shè)備參數(shù)通過工業(yè)以太網(wǎng)采集至PLC數(shù)據(jù)塊中，PLC數(shù)據(jù)塊通過驅(qū)動程序完成與Intouch數(shù)據(jù)庫之間的信息交換，并建立起雙向信息鏈。組態(tài)軟件將PLC讀取的電氣設(shè)備運行參數(shù)與運行狀態(tài)在監(jiān)控畫面上進(jìn)行實時顯示，將操作指令和保護(hù)定值通過PLC寫入電氣設(shè)備中并完成相關(guān)操作與定值設(shè)定，進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)“遙測、遙控、遙信、遙調(diào)”功能。

5 系統(tǒng)主要功能

5.1 人機(jī)界面顯示

配電系統(tǒng)運行狀態(tài)和運行參數(shù)實時顯示，全面監(jiān)測變壓器和配電柜各測點溫度，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)運行的全面集中監(jiān)控。

5.2 停送電管理

實現(xiàn)停送電業(yè)務(wù)流程審批和人員權(quán)限與身份核驗，執(zhí)行分合閘合規(guī)性判斷及遠(yuǎn)程分合閘操作，完成電子操作票生成、電子停電牌摘掛與上鎖等任務(wù)。

5.3 報警與事件管理

對操作事件、故障事件、動作事件等進(jìn)行準(zhǔn)確記錄與存儲，根據(jù)故障內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)報警信號，對報警信息進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位，根據(jù)報警信息初步確定故障位置，記錄故障點、故障類型，對部分故障進(jìn)行故障錄波。

5.4 操作記錄、報表與曲線管理

可對操作員的各項操作進(jìn)行詳細(xì)信息記錄，用于事故追溯分析；對各回路電流、電壓、功率和負(fù)荷等電氣參數(shù)進(jìn)行實時記錄，并生成運行報表和歷史與實時曲線。

5.5 保護(hù)定值管理

在線完成保護(hù)投退設(shè)定、定值修改、定值審批管理等任務(wù)。

5.6 能耗管理

實現(xiàn)以回路為單位進(jìn)行能耗統(tǒng)計，可按生產(chǎn)區(qū)域、設(shè)備類型、時段分別進(jìn)行能耗統(tǒng)計，分析生產(chǎn)電耗指標(biāo)變化情況等。

5.7 維護(hù)管理

通過統(tǒng)計與分析設(shè)備運行時間、負(fù)荷電流分布、機(jī)械特性等參數(shù)，推送維護(hù)管理提醒信息，指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)工作。

6 效益分析

末煤低壓配電系統(tǒng)改造升級后，系統(tǒng)的智能化程度大幅提升，可以全方位、多維度集中監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況，日常巡檢實現(xiàn)了由人工現(xiàn)場巡檢為主到以在線巡檢為主的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)場巡檢頻次由原來的每班一次壓縮至每周一次。

全面的電氣設(shè)備測溫配置確保了能夠及早發(fā)現(xiàn)并預(yù)防熱隱患，投運半年以來，未發(fā)生設(shè)備觸頭或電纜連接處過熱燒損故障，故障頻次同比減少兩次。

智能型電氣設(shè)備的保護(hù)配置齊全完備，顯著降低了保護(hù)誤動作頻次，基本杜絕了越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。投運半年以來，與同期相比，各種故障引發(fā)的用電設(shè)備損壞降低了80%，因電氣故障引起系統(tǒng)停運的時間顯著降低。

遠(yuǎn)程分合閘和操作票自動生成功能的投用促使停送電作業(yè)效率大幅提升。以末煤系統(tǒng)6臺主設(shè)備送電作業(yè)為例，送電操作時間由原來的30min壓縮至8min，并節(jié)省了全部手工填寫操作票時間。

停送電分合閘合規(guī)性判斷有效杜絕了誤操作發(fā)生，保證了電氣作業(yè)安全；停送電權(quán)限審批與身份核驗功能確保了檢修工作負(fù)責(zé)人對設(shè)備停送電的掌控，保障了檢修作業(yè)安全。

系統(tǒng)精細(xì)化能耗管理強(qiáng)化了車間的節(jié)電管理，末煤外運噸煤電耗降低0.135kW·h/t，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)論

本文對智能電氣設(shè)備功能和配電系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建進(jìn)行了詳細(xì)論述，依托選煤廠末煤低壓配電系統(tǒng)改造項目的設(shè)計與實施，探索出基于智能電氣設(shè)備和工業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)數(shù)字化低壓配電管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。經(jīng)過現(xiàn)場實際運行測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，切實解決了原有系統(tǒng)存在的問題，保障了系統(tǒng)安全高效運行，具有一定推廣價值。

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【原】某選煤廠低壓配電管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“某選煤廠低壓配電管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為劉建、白雪梅等。

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【原】某選煤廠低壓配電管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“某選煤廠低壓配電管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為劉建、白雪梅 等。

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“某選煤廠低壓配電管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為劉建、白雪梅等。